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莫忘涡桨

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 楼主| 发表于 2018-7-16 11:40:54 | 只看该作者 回帖奖励 |倒序浏览 |阅读模式
本帖最后由 晨枫 于 2018-7-15 23:02 编辑 4 J. L; l1 S# x; C

7 V1 ]7 L7 J/ o2 L( y  A中国航空科技正在起飞,令人振奋的新飞机在不断飞向天空。应该先走一步的航空发动机还没有取得同样令人振奋的成就,但也在逐渐看到隧道的尽头。中国的航发研发重点集中在战斗机和运输机的涡扇,如WS15和CJ1000,直升机的涡轴也有起色,但螺旋桨飞机的涡桨还是重灾区。这无疑是现有航发研发的重点所决定的。战斗机是国之重器,战斗机发动机的研发自然优先。民航客机的成败最终取决于发动机,这也是中国制造2025的重点之一,也需要优先。直升机是中国航空的短板,直升机发动机的优先等级正在提高。但螺旋桨飞机也需要成为重点,而且原因很多。
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, p- Y# h) P7 |3 T
中国航空是最近20年世界上发展最快的,在大力解决喷气发动机短板的同时,切莫忘记涡桨
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8 X7 a8 U% O& L* s/ _; r( V1 |, f. q, v- o6 u/ p" [6 b/ C
C-130的野战机场起落功夫得益于涡桨2 ?$ t) Q5 ~# c1 ~

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先进涡桨更使得C-130能够“长生不老”
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螺旋桨可由涡桨发动机或者活塞式发动机驱动,涡桨比活塞式的重量轻、功率大、升限高、运转平稳,活塞式通常只用于小功率场合。相对于喷气式飞机来说,涡桨飞机速度慢,噪声大,但省油、起飞着陆距离短,在不少场合具有独特的优越性。尽管有巴西KC-390、日本C-2、乌克兰安-72的存在,主流战术运输机如C-130、A400M、C-27等依然是涡桨的,正是因为其独特的优点。( e4 {" ~$ S* H! O3 {$ [
1 O" C/ I) K, v& Y( G/ @
涡桨的使用灵活。除了常见的机翼上安装的双发、四发,还有机头安装的单发。螺旋桨不仅有常见的拉进,还有桨叶在后的推进。+ f' Q! ^% p  x  V6 X

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" H( p  m* [1 p4 P6 F就像中国通过手机在电话通信上弯道超车一样,通用航空在中国也有巨大的发展潜力,帮助解决偏远地区的交通问题
, B$ w+ B6 `: m4 X/ Q* u) `" O; ^( t1 _7 c# I  ^
除了军用运输机,通用航空也是涡桨的主要市场。中国幅员广大,地形复杂,通用航空大有可为,但通用航空的发展不仅受到法规、机场的限制,更受到飞机尤其是发动机的限制。在庞大的中国航空工业产品谱系中,并没有通用航空多少位置,适用的先进涡桨更是稀缺。0 E# g9 y$ ?1 p. r4 |8 M

) A. N( X$ ?. m% ~( k. B( L随着无人机的兴起,涡桨具有了新的重要性。小型无人机可用活塞式甚至电池驱动,较大的无人机大多采用涡桨,典型的如美国的“捕食者”系列。喷气式的推力更大,但较费油,而且不适宜低速飞行,特别追求长航时、大航程的察打一体无人机还是涡桨驱动为多。中国由于缺乏合适的中小功率涡桨发动机,被迫使用功率小、性能受限的活塞式发动机,严重限制了性能。比如说,“彩虹5”与MQ-9“捕食者”大小和重量相似,“彩虹5”使用涡轮增压的活塞式发动机,功率只有“捕食者”的加莱特TPE331涡桨的一半,在翼展相似的情况下,有效载荷降低60%,升限从15000米降低到9000米,不仅限制了对地视界和增加巡航阻力,也限制了高原起飞性能,好在续航时间从14小时延长到60小时。
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, G3 }9 p4 I) V: W3 p. y# z; J- D6 Y6 C: S  S! a" q8 l: {
. A3 @& |3 B6 D+ x" J; r
在布局、大小和任务相差不多的情况下,采用涡桨的MQ-9(上)的升限和载荷显著高于采用活塞式发动机的彩虹-5(下)' U2 \! q  M3 F# b' J% j
2 }1 N: ?  K! J# ^
中国也缺乏先进的大功率涡桨。运-9的涡桨6C的基本设计是苏联时代的东西,比C-130J的罗罗AE2100落后很多,严重限制了运-9的性能。如果传说中的运-30也最终成真,更取决于先进涡桨。为了适应更加灵活、分散的部署,中国可能还需要一级类似C-27的双发轻型运输机,同样依赖先进涡桨。运-20解决了大运的有无问题,但用途更加广泛的中运和轻运不能长期停留在退而求其次的状态。传说中的舰载预警机的飞行性能最终可能也取决于先进涡桨,这决定了舰载预警机的起飞重量、升限和留空时间。, `$ l: }" E8 G; B1 [8 S& j+ i

/ e* f* q& y: Y# {. p0 k' R在原理上,从适当的涡喷或者涡扇的核心发动机研发涡桨并不是太困难的事,难处在于可靠性和效率。核心发动机的转速太高,要降低到适合螺旋桨的转速,需要沉重、复杂、可靠性低的减速齿轮装置。但加拿大普拉特-惠特尼PT6系列涡桨提供了有用的新思路。: z% `2 k& s2 d- i: }

+ b8 h: {  B8 L8 y' KPT6系列或许是历史上最成功的涡桨发动机,到2015年11月已经累计生产51000台,累计运转4亿小时以上,功率范围从580马力到1940马力。最值得称道的是可靠性:每65万飞行小时里低于1次空中停车。; P6 c3 O2 z; k3 |& e4 \. R, {

/ r$ l. g1 [% P1 e
, B" Y8 _9 E4 w  R% K0 Z% e
9 [4 F* m' O9 V9 S  g5 x7 i1 n6 e
* _' O, F! i* Z成功的PT6采用独特的逆流自由涡轮设计
: M0 m$ G  k' t( o  p
, U- H+ \* x1 [$ m- W0 D为了降低对减速齿轮的要求,PT6采用独特的逆流自由涡轮设计。自由涡轮说白了就是风车。在有风天里,小直径风车转速快,大直径风车转速慢,涡桨的自由涡轮也是一样的道理。当然,风车直径还要考虑其他因素,比如发动机直径和叶片受力,一步到位并不现实。但从较低的转速开始,减速齿轮装置可以较小、较轻、更加可靠,传动损耗也低。由于自由涡轮的转速与发动机转速脱钩,自由涡轮涡桨可以用单转子核心发动机实现双转子的效果,或者用双转子核心发动机实现三转子的效果,热力学效率显著高于直接驱动、齿轮减速的传统涡桨。
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0 H% t' l0 R; a( X9 w& }# ?+ s& R5 Z5 T1 H
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8 m. t* a; ~3 K& ?+ t0 q3 S
这些外观上大同小异的教练机(从上到下:瑞士PC-9、巴西“巨嘴鸟”、韩国KT-1)都采用PT6涡桨,所以都有特征性的“小胡子”9 z9 \3 N1 I2 U% Q6 X

8 ^. _2 ]! D. w; O+ X不过常见的螺旋桨飞机都是拉进的,这意味着PT6的核心发动机的喷气必须向前,喷气流吹动风车做功后,再转个方向,向侧后喷出。观察典型的采用PT-6发动机的飞机(如巴西“巨嘴鸟”或者瑞士PC-9),不难看到发动机喷口在很靠前的奇怪位置,几乎紧贴在螺旋桨后,好像两撇小胡子一样。正是因为这个独特的设计。进气依然在前方,绕过核心发动机后,从尾后折返向前,进入核心发动机。因此成为逆流设计。
4 g! f* e* j2 x0 |. L+ B- z* f+ N+ X5 |* t$ D
对于高速飞机来说,进气、喷气这么绕来绕去会造成可观的动能损失,但PT6主要用于中低速飞机,这个问题不大。进气在发动机尾转弯时,动能转化为压力,是有利于压气机工作的。喷气的能量在吹动自由涡轮之后,本来就没有多少动能了,只是排气而已,所以再转个弯问题也不大。7 s! ~* }) b9 }8 s5 w
& Z9 }' k# ~+ ^5 \) s7 j/ }
有意思的是,由于采用自由涡轮设计,PT6可以很容易地转型为直升机用的涡轴发动机,原则上只需要在自由涡轮的输出端加一个伞齿轮,把动力输出转90度就可以驱动旋翼了。对于PT6家族来说,PT6A是涡桨,PT6B和C都是涡轴,还有其他型号。$ K. b0 N& c% x5 X+ a. T" l$ P
) B- N, v8 }- F7 z7 O
善于倒立的马戏团演员正过来站着走也没问题,同样,PT6也可以用于顺流应用场合,螺旋桨改为推进,就像MQ-9“捕食者”或者“彩虹5”那样。直升机的涡轴发动机也有前输出和后输出问题,PT6作为涡轴的时候同样便于灵活使用。
6 I$ E5 l4 h$ n3 j, a! ?, E
3 \4 g- q! @5 C0 e" F: Z! g1 y. a0 P: @6 S/ H& C) D$ O
PT6也有用于直升机的型号,这是AC313$ f1 j$ t4 R- t% I0 s

6 L" I0 l8 \; |3 _; [PT6在世界上得到广泛应用,在中国也得到应用,运-12、直-8F和AC313都用PT6,如果不是美国作怪,直-10本来用的也是PT6。
5 L1 _. z& P  {, g+ S
+ a0 E8 m; e) x) qPT6这样把动轮轴和输出轴分开还有一个好处:两根轴都相对较短,受力情况大为改善。发动机的转轴不仅工作时受热、受力情况极其严峻,停车冷却时也有独特的烦恼。卸载冷却后,较长的转轴会“松弛”下来,产生些微下垂变形。这是正常的,但在启动时,需要慢慢加热“张紧”才能增加转速和出力。普拉特-惠特尼的齿轮减速涡扇(简称GTF)正是因为这个问题而推迟交付,致使超过100架空客A320NEO没有发动机可用,不能交货。但分成两段后,受力和受热情况都极大改善。PT6的启动是出名地容易。
: a6 p' V7 Y& _9 R: h
. {4 p. s+ J; k1 N但PT6从1963年投产到现在,尽管在不断改进中,基本设计已经很老了。这五十多年来,航空发动机技术发展迅速,但很多新技术没有在PT6体现出来。这也与一波又一波“涡桨过时论”有关,航发公司不愿意投资,挑战PT6。
1 L+ i# R( z0 l8 q3 @( x8 d# M- _9 O8 H( L" p& ?% N' I% ]( F) r; ]
但涡桨非但没有过时,还需求旺盛。为此通用电气借用已经成熟的其他发动机技术,重新打造21世纪的PT6,这就是“先进涡桨”(简称ATP),现在改名“催化剂”,设计功率范围为850-1600马力。$ o7 f  s2 k* n3 S5 r% D

9 k- `3 l; ^3 F1 Q! R8 l+ P/ x
$ j7 E: ^7 M6 F) e3 @+ n+ Z$ n) Q通用电气ATP涡桨
4 p: ^7 m/ e. ^7 {8 D; q; D; x% W+ O1 k3 K. g9 W3 r

4 H* X. k: N9 H4 U也采用逆流自由涡轮设计3 v+ J3 L" {+ B9 }

9 Z7 ~- G+ ~/ T
$ C: \" [. V+ `1 m1 ~, w全面采用了新技术,技术水平大大超过PT6
1 p% |! ?+ y$ P: @) ?  l, ~% i" Q9 X+ g

1 ^/ S4 N" p4 L7 |" [0 ~力图把PT6的大蛋糕啃下一块来
5 B# u1 [5 ?  w3 _" ^* `( P! E- n2 `/ z: n7 M$ U" |% `
7 `3 d. S, R# f; B
从性能指标来看,很有希望# E: q/ P0 O: ?
- r. G+ w0 g2 W$ a# b: E- v
8 y  t! Y7 X6 B- U9 T. J5 O
现在已有塞斯纳“德纳利”采用
/ }% g- D/ f+ r0 `$ R
5 R! L/ `3 j5 `  h$ A2 QATP里35%的部件都使用钛合金增材制造(也称3D打印),按照常规制造方法需要用855个部件实现的功能缩减为12个部件,减重12%,对于降低油耗的贡献达到1%。不过现在还只限于固定部件,如框架、燃烧室器壁、机油泵体、出气口、轴承座、流道、换热器等,旋转部分如叶片和转轴还是用传统方法制造的。
1 h3 l2 K# Y8 R
1 g- a0 Y! D: w/ w) ^- n压气机采用先进的3D流体力学方法设计,采用可调导流叶片(简称VSV),使得压缩比达到16。可调导流叶片是通用电气的拿手好戏,解决了发动机喘振和效率问题。ATP还使用两极空心冷却单晶涡轮叶片,极大地提高了工作温度和热效率。三级反转自由涡轮则以最高效率和最优转速驱动输出轴,并抵消核心发动机的转动导致的章动效应。全权限数字发动机控制(简称FADEC)不仅控制发动机的工作,还控制变距螺旋桨的工作,在发动机和螺旋桨的工作状态之间实时优化,保证最高效率和最高可靠性。, R) C7 W2 M1 c& x- `5 b+ {

! P/ e& Q, M! |与PT6相比,ATP的大修间隔从3000小时提高到4000小时,油耗降低20%,巡航功率增加10%。
$ Q3 S  G( y; }
  k$ {( z: v7 i4 s9 T3 kATP现在只用于塞斯纳“德纳利”,这是单发的7-9座小型通用飞机,使用的ATP为1300马力版。更多应用和更多功率型号只是时间问题,直升机使用的涡轴版也将水到渠成。8 o0 z/ a1 U. \4 H" K0 |  g
5 b) U) |; G( ]
对于中国来说,还可以把眼光放远点,因为涡桨、涡轴的核心发动机与中校推力涡扇可以通用。罗尔斯-罗伊斯AE2100涡桨用于洛克希德C-130J,但共享基本技术的T406用于贝尔-波音V-22,涡扇版AE3007则用于塞斯纳“奖状”公务机、巴西航空ERJ145支线客机和诺思罗普MQ-4C“海王”/RQ-4“全球鹰”大型无人机。这样的30-40kN级先进涡扇也是中国急需的,特别适用于大型长航时高空无人机。相比之下,中国“翔龙”等采用涡喷7实在是无奈之举,各种高性能无人作战飞机、高亚音速巡航导弹(包括在巡航段使用涡扇推进的反舰导弹、空地导弹、反潜导弹等)、教练机等都可得益于先进涡扇。
6 B& V! T: B/ o* f6 r3 T8 F2 _" v# a1 g, w% ^" K; D& g

( }+ q$ _2 m2 ]4 ]+ w
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2 f8 A- M/ A' ], D% p' i# V, \) x
3 G$ @4 W: U' [  w8 B# w; a* _& o" v3 @0 d7 s/ z

' @+ I- L! a$ ^. Z1 p& W8 T- [4 K; |) Q$ @6 ]

9 G0 |) N" S% F8 S7 x: u" V* n
$ j* m# T0 ~/ k; a2 Z! ~; U8 w& f! r7 N7 }

( p* B. ^$ i; {这些飞机(从上到下:C-130J、“奖状”、MV-22、ERJ-145、全球鹰、通用原子MQ25方案)的任务、性能各异,但共用同一台核心发动机,这是中国大力发展中小推力涡轮发动机族的另一个意义) c% W7 a9 n8 [  V$ h% b+ p

' n( a0 N+ b; b0 f0 v- A中国航发在大举攻克大推力战斗机和高涵道比民用涡扇的同时,不应该忽视中小推力涡轮发动机家族(包括涡桨、涡轴、涡扇)。各种先进技术也可以首先在中小推力发动机上使用,为大推力发动机上的使用铺路,比如增材制造、FADEC等。
) I2 f! d8 R! ?, y  v
/ s$ Q% }( \) B+ I6 E更重要的是,成飞与沈飞的竞争启动了中国战斗机设计空前活跃的时代,中国航发的研发与制造有必要借鉴这样的模式。如果不在所有领域都保持平行竞争,至少避免“钦定”,鼓励二线厂所从中小推力发动机入手,积累经验,在条件成熟的时候涉足大推力发动机。+ ^& R3 ~/ n& S8 E7 I

! ^( u7 S- [5 r$ ~- p这远远不止是给新兴厂所练手的机会,中国对相应推力级的发动机有急切地大量需求。无人机、通用航空、运输机已经是很大的市场,直升机可能是更大的市场,中国陆海军的直升机化才上路。小推力涡扇方面,光巡航导弹就是很大的需求。实际上,按发动机台数和累计价值来说,这可能是比战斗机涡扇、民航机涡扇更大的市场,不能忽视。
0 n2 x/ X7 L2 o( s% H& Z: P0 l) p$ N7 r/ D* a
在人们的眼光集中在大推力、高涵道比涡扇的同时,莫忘涡桨(和涡轴、小涡扇)。4 U7 t0 s$ [9 f0 c1 J

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    2021-2-5 00:48
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    [LV.10]大乘

    沙发
    发表于 2018-7-16 12:04:16 | 只看该作者
    图-95那个是什么?
  • TA的每日心情

    2020-11-20 06:24
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    [LV.Master]无

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    猫元帅 发表于 2018-7-16 12:04% T$ K/ c4 u5 @# V7 t
    图-95那个是什么?

    " v& a' R4 ~# P' L$ o, W' [就是涡桨,同轴反向的。

    该用户从未签到

    地板
     楼主| 发表于 2018-7-16 12:21:06 | 只看该作者
    猫元帅 发表于 2018-7-15 22:04
      }* ^* c/ c5 }( x* `5 U( l( h图-95那个是什么?

    : r* [& h$ v5 s6 f9 w也是涡桨,同轴反转,库兹涅佐夫NK-12
    + x7 ?5 u9 T: Q
    8 D/ D3 H  F! y6 O8 e5 ]! [  i
  • TA的每日心情
    奋斗
    2020-8-27 18:47
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    [LV.9]渡劫

    5#
    发表于 2018-7-16 12:46:47 | 只看该作者
    最近怎么都在谈PT6?9 C$ t/ B4 ^; T
    http://www.guancha.cn/XiYaZhou/2018_07_15_464139_5.shtml
    * v0 L! q* O4 o# L2 Whttp://user.guancha.cn/main/content?id=26003- g5 q. C1 L4 \' E/ F' j& _

    1 ~7 }5 t8 L) Q

    该用户从未签到

    6#
     楼主| 发表于 2018-7-16 12:56:31 | 只看该作者
    hotmen 发表于 2018-7-15 22:460 E# ~( l# U2 ]7 u$ |+ J! _3 C
    最近怎么都在谈PT6?" u# v, q' T2 Q9 ]6 z
    http://www.guancha.cn/XiYaZhou/2018_07_15_464139_5.shtml% W2 _  `! ]/ \7 S0 e
    http://user.guan ...

    ' D* w  M* F4 d% S; E因为这是好东西啊, w- E% W  [( p9 ]% S2 X' v1 A( I
    ; E& q" v# _* ^: ]  r( M
    他们俩都从直升机发动机着眼,我从更大的发动机族着眼
  • TA的每日心情
    奋斗
    2020-8-27 18:47
  • 签到天数: 638 天

    [LV.9]渡劫

    7#
    发表于 2018-7-16 13:02:48 | 只看该作者
    本帖最后由 hotmen 于 2018-7-16 13:06 编辑 ( V; F1 F- H4 t7 ?& E1 }$ p
    晨枫 发表于 2018-7-16 12:56
    7 o& D, b5 J4 e& Y$ z: R因为这是好东西啊
    " q+ u1 W  l" Q: A, A( h  @
    8 c: G5 ]& N; d/ `. o$ t5 j8 A他们俩都从直升机发动机着眼,我从更大的发动机族着眼 ...
      E& Q+ |3 P1 m" |
    + O/ V& h: B& f* H( q# I6 i: E2 G
    乐观点说有涡轴-10了,涡轴-6也能凑合着用。
    # u. ^' |4 M: ], l悲观点说以后直8,直10,直18,直20全指望涡轴-10了。( b! j0 l8 s  R, ~  P" Q4 g& o' _
    ; T4 e6 c+ O$ Q8 U# k+ o/ a0 m& [

    : f# j% K9 M$ b7 W6 L  R& N另外,最近发现杨基回到观网了。http://user.guancha.cn/user/personal-homepage?uid=224109

    该用户从未签到

    8#
     楼主| 发表于 2018-7-16 13:10:42 | 只看该作者
    hotmen 发表于 2018-7-15 23:02
    9 e# A' J4 E' q" Y1 G# r/ v乐观点说有涡轴-10了,涡轴-6也能凑合着用。
    : N0 O( O* ~) R悲观点说以后直8,直10,直18,直20全指望涡轴-10了。

    + X" H& K. N% {7 ]  q2 P, Z& z是啊,养鸡到观网,给观网壮大了好一块,好事!
      W4 A% R' U. U3 o" f0 K, Z) k4 x. d* O2 Y. Y/ x7 o
    涡轴10相当于T700,美国陆军正在竞标T900,要求在T700的安装空间(甚至安装点)和重量范围里,功率增加50%、油耗降低25%、寿命延长20%,而中国涡轴10是不是能可靠地达到T700基本型的性能还是一个问题。
    ( M. P, y& T3 A: ~3 Q
    8 ^# Y+ k9 F" v0 F5 q# AT700是单转子的,技术简单可靠,但油耗高,功率也做不上去。
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    该用户从未签到

    9#
    发表于 2018-7-16 17:06:29 | 只看该作者
    天朝为什么不买Д-36的技术,这对天朝可是好东西,向上可以发展大推,向下可发展涡浆,涡轴。

    该用户从未签到

    10#
     楼主| 发表于 2018-7-16 21:19:27 | 只看该作者
    本帖最后由 晨枫 于 2018-7-16 07:35 编辑
    / w. Y" u- v0 s$ T4 z
    笔笔 发表于 2018-7-16 03:06
    , h/ W9 _$ c& S0 K/ q天朝为什么不买Д-36的技术,这对天朝可是好东西,向上可以发展大推,向下可发展涡浆,涡轴。 ...

    : K$ o" X8 z' q: C: U. W
    + N* c$ _( I3 X+ Z不知道。苏联的三转子只有这一个,那么好的话,为什么不多发展点型号呢?技术上精巧度太高的技术路线,不看好毛子货。这不是他们的风格。

    该用户从未签到

    11#
    发表于 2018-7-16 22:03:12 | 只看该作者
    晨枫 发表于 2018-7-16 21:19' P1 i3 u) Q( G/ z
    不知道。苏联的三转子只有这一个,那么好的话,为什么不多发展点型号呢?技术上精巧度太高的技术路线,不 ...

    ( k" l4 s0 K4 Y+ I0 L: h米26的发动机就是从Д-36发展来的,安系,雅克上用的挺多的,改开后天朝工业界有点好高骛远看不起老毛子,老毛子是比不了西方,可是在机械上比国内还是高出一大截吧,三代核电也是回过头来买老毛子的,D-30是落后不的了的东西了还不是要回过头来仿制,引进了GELM2500有什么用还不是要买DA/DN80型燃气轮机的技术。
  • TA的每日心情
    开心
    2021-2-12 21:15
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    [LV.9]渡劫

    12#
    发表于 2018-7-19 09:48:48 | 只看该作者
    这边的图片比官网的漂亮多了。又看到了晨大写的飞机了,估计不久就要写船了。

    该用户从未签到

    13#
    发表于 2018-7-19 19:08:48 | 只看该作者
    晨枫 发表于 2018-7-16 21:193 S2 d! C$ ]! n' N
    不知道。苏联的三转子只有这一个,那么好的话,为什么不多发展点型号呢?技术上精巧度太高的技术路线,不 ...
    0 g; |/ Q3 M# b# Q
    还有图160上的三转子发动机。
  • TA的每日心情
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    [LV.8]合体

    14#
    发表于 2018-7-19 19:50:43 | 只看该作者
    没看太懂:主涡轮产生喷流,喷流吹动自由涡轮,自由涡轮带动螺旋桨。。。是这个意思吗?

    该用户从未签到

    15#
     楼主| 发表于 2018-7-19 21:26:55 | 只看该作者
    鳕鱼邪恶 发表于 2018-7-19 05:50
    ' {/ b. X$ l/ c7 a6 |, J7 s6 y没看太懂:主涡轮产生喷流,喷流吹动自由涡轮,自由涡轮带动螺旋桨。。。是这个意思吗? ...

    " h$ M: L$ g0 E7 v5 B喷流是燃烧室产生的,主涡轮只是从喷流中吸取足够维持发动机工作的能量,喷流的主要能量都还在。直接喷出去,就是喷气发动机,吹动自由涡轮带动螺旋桨或者旋翼,就是涡桨或者涡轴。

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      发表于 2018-7-19 21:38

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